Materials based on fullerenes and carbon nanotubes are very much different from most “traditional” materials, primarily because they are built from nanosized molecules with highly symmetry-dependent properties. Being the subject of a very active research field over the last twenty years, carbon nanostructures proved to be indeed extraordinary. Their splendid mechanical properties attract a great interest among material scientists. Their wide range of electrical properties, from ballistic conductors to insulators, makes them ideal candidates for future, better electronics. The possibilities seem to be nearly unlimited, with proposed applications ranging from quantum computing to medicine. However, in order to make it all happen one day, we first need to explore and understand the physics and chemistry of carbon nanomaterials. This work focuses on production and characterization of materials and structures in which fullerenes and/or carbon nanotubes are the main ingredients, and which can be produced or modified under high-pressure – high-temperature (hp-hT) conditions. Raman and photoluminescence spectroscopy, X-ray diffraction and scanning probe microscopy were employed for characterization of the samples. The research presented in this thesis is spread over a rather wide range of carbon nanomaterials. To highlight some of the main results – the first hp-hT polymerization of C60 nanorods and the C60-cubane compound is reported. The polymerization mechanism in the latter case was identified to be radically different from that in pure C60. The pressure-temperature diagram of C60-cubane is presented. A comparative study of C60 and C70 peapods under extreme p-T conditions reveals how the confinement affects the fullerenes’ ability for polymerization. Finally, in situ resistance measurements on Rb4C60 under high pressure show that the semiconducting character of this material persists at least up to 2 GPa, contradicting earlier reports on the existence of an insulator-to-metal transition and providing an insight into conduction mechanisms in this anomalous intercalated compound.

Les accumulateurs au lithium jouent un rôle important comme source d'alimentation pour les appareils électroniques portables en raison de leur forte capacité gravimétrique et volumétrique et leur haute tension. En outre, la technologie lithium-ion est la mieux placée pour une application à grande échelle, telle que le véhicule électrique, ce qui pose un problème de ressource et à terme, de coût. Une des réponses envisagées sur le plan économique et environnemental est le développement d’accumulateurs sodium-ion. Dans tous les cas, le problème scientifique consiste à proposer des matériaux d’insertion des ions sodium avec un caractère réversible de la réaction électrochimique, et une durée de vie compétitive par rapport aux systèmes au lithium. Le travail présenté se situe dans cet effort de recherche. Les potentialités de matériaux dérivés du pentoxyde de vanadium, de structure 2D, sont étudiées comme composés d’intercalation du sodium: le composé de référence V2O5, le bronze performant dérivé de V2O5 de formule K0,5V2O5, ε’-V2O5, ainsi que le composé au manganèse de type lamellaire : la birnessite sol-gel et sa forme dopée au cobalt. Les relations structure-électrochimie sont élucidées à travers une étude combinant propriétés électrochimiques, diffraction des Rayons X et spectroscopie Raman des matériaux à différents taux d’insertion, en fin de réaction et après cyclages galvanostatiques. De nouvelles phases sont obtenues et des capacités spécifiques comprises entre 100 et 160 mAh/g dans le domaine de potentiel 4V-1V peuvent être obtenues avec parfois une stabilité remarquable comme dans le cas de NaV2O5 et ε’-V2O5 / Since commercialization, Li-ion batteries have been playing an important role as power source for portable electronic devices because of high gravimetric, volumetric capacity and high voltage. Furthermore, the lithium-ion technology is best suited for large-scale application, such as electric vehicles, which poses a resource problem and ultimately cost. On the contrary, sodium is a most abundant element, inexpensive and similarly properties as lithium. In order to solve the problem of lithium raw resource, sodium is proposed as a solution for next generation power source storage. This work investigates the potential derivative vanadium pentoxide materials as sodium intercalation compounds: the V2O5 reference compound, the promizing potassium bronze K0,5V2O5, ε'-V2O5, as well as a lamellar manganese oxide: the sol-gel birnessite and its doped cobalt form. The structure-electrochemistry relationships are clarified through a study combining electrochemical properties, X-ray diffraction and Raman spectroscopy of materials at different insertion rate, end of the reaction and after galvanostatic cycling. New phases are highlighted and specific capacities between 100 and 160 mAh / g in the field of 4V-1V potential can be obtained with sometimes remarkably stable as in the case of NaV2O5 and ε'-V2O5

A intercalação de espécies com atividade farmacológica em Hidróxidos Duplos Lamelares (HDLs) vem sendo explorada com uma maior freqüência não apenas pelo fato da matriz ser biocompatível, mas também por outros efeitos reportados em estudos recentes como: (i) possível liberação sustentada da droga mediada por alterações no pH, (ii) aumento da solubilidade de substâncias pouco solúveis em água, (iii) aumento da estabilidade química de substâncias frente à luz, ao calor, à umidade, ao oxigênio molecular etc. O principal objetivo deste trabalho é a intercalação de substâncias de interesse medicinal (em suas formas aniônicas) como a pravastatina, Prav (ação anti-hiperlipidêmica) e os antioxidantes ácidos coumárico, Cou, e lipóico, Lip, em HDLs de magnésio-alumínio e zinco-alumínio através da coprecipitação, utilizando diferentes condições experimentais (pH, tratamento pós-síntese e relação molar ânion/Al3+). As amostras sólidas foram caracterizadas por análise elementar (CHN e metais), difratometria de raios X, métodos espectroscópicos (vibracional no infravermelho, Raman e ressonância magnética nuclear de 13C no estado sólido), análise térmica, microscopia eletrônica de varredura, medidas de tamanho de partícula e de potencial Zeta. A ação farmacológica dos HDLs de composição Mg2Al foi investigada através do teste biológico com o corante Sulforodamina B na linhagem celular de melanoma A-375. A utilização de diferentes proporções molares Pravastatina/Al3+ (1, 2 e 3) não alterou significativamente a quantidade de substância orgânica presente no material. O HDL de composição lamelar Zn2+/Al3+ apresentou maior cristalinidade e maior quantidade de orgânico (52 % m/m) que a matriz Mg2+/Al3+ (32 % m/m). A Pravastatina forma uma bicamada na região interlamelar. Os valores de tamanho médio de partícula e do potencial Zeta encontrado para o material Mg2Al1Prav (razão molar Prav/Al3+= 1) são 126 nm e + 22,9 mV, respectivamente. A Pravastatina e o material de Mg2Al1Prav diminuíram o crescimento celular da linhagem A-375 em até 20 % após tratamento. A composição dos HDLs intercalados com íons coumarato é dependente da razão molar Cou/Al3+ empregada na síntese. Observou-se novamente que o emprego da composição lamelar Zn2+/Al3+ contribui para a obtenção de material com maior cristalinidade e quantidade de orgânico intercalado (36 % m/m) comparado ao análogo de Mg2+/Al3+ (32 % m/m). Os ânions orgânicos na forma bivalente, constatados pelos resultados obtidos no espectro Raman, assumem um arranjo de monocamada com inclinação do esqueleto carbônico em relação às lamelas. Dados de análise elementar e análise térmica sugerem que o íon orgânico está enxertado/coordenado às lamelas do HDL. A suspensão aquosa do material Zn2Al3Cou apresenta estabilidade moderada frente à aglomeração (potencial Zeta igual a + 39,6 mV) e tamanho médio de partícula de 226 nm. No caso dos HDLs-Lip, observou-se que o excesso de íons lipoato na síntese, assim como o tempo de agitação pós-síntese , não alterou a cristalinidade e a quantidade de orgânico (39 % m/m) no material. Os ânions orgânicos devem se organizar na forma de uma bicamada interdigitada na região interlamelar. A suspensão aquosa do material Mg2Al1Lip apresenta estabilidade moderada frente à aglomeração (potencial Zeta igual a + 34,3 mV) e tamanho médio de partícula de 110 nm. / The intercalation of species with pharmacological activity in Layered Double Hydroxide (LDHs) has been explored frequently not only because it is biocompatible, but also by others effects as reported in recent studies: (i) sustained release of the drug by changes in pH, (ii) increasing the solubility of poorly water soluble substances, (iii) increase of the chemical stability of substance against light, heat, moisture, molecular oxygen etc. The main goal of this work is the intercalation of substances of therapeutic interest (in their anionic forms) as Pravastatin, Prav (antihyperlipidemic), and the antioxidants coumaric acid, Cou, and lipoic acid, Lip, in LDHs of magnesium-aluminum and zinc-aluminum by coprecipitation using different experimental conditions (pH, post-synthesis treatment and molar ratio anion/Al3+). Solid samples were characterized by elemental analysis (CHN and metals), X-ray diffraction, spectroscopic methods (Vibrational Infrared, Raman and Nuclear Magnetic Resonance of 13C in solid state), thermal analysis, scanning electron microscopy, measurements of particle size and Zeta potential. The pharmacological activity of LDHs of Mg2Al composition was investigated by the biological assay with the dye Sulforhodamine B in the melanoma cell line A-375. The usage of different molar ratio Pravastatin/Al3+ (1, 2 and 3) did not significantly alter the amount of organic substance present in the inorganic carrier. The LDH of composition Zn2+/Al3+ promoted an increase in the crystallinity of the material and in the amount of organic (52 % w/w) compared to the Mg2+/Al3+ material (32 % w/w). Pravastatin forms a bilayer into the interlayer region. The mean particle size and Zeta potential of the Mg2Al1Prav (molar ratio Prav- /Al3+= 1) are 126 nm and + 22.9 mV, respectively. The Pravastatin and the material Mg2Al1Prav decreased cell growth of strain A-375 melanoma by 20 % after treatment. The composition of the LDH intercalated with coumarate ions is dependent of the molar ratio anion/Al3+ used in the synthesis. The composition Zn2+/Al3+ promoted an increase in the crystallinity and amount of the organic (36 % w/w) compared to Mg2+/Al3+ material (32 % w/w). The organic divalent anions, visualized by the Raman spectra results, assume a monolayer arrangement with the inclination of the carboxylate group related to the layer. Elemental and thermal analysis suggest the grafting/coordination of the organic ions into the layers of LDH. The aqueous suspension of the Zn2Al3Cou shows moderate stability against agglomeration (Zeta potential value + 39.6 mV) and particle size of 226 nm. In the case of LDHs-Lip, it was observed that excess of lipoate ions from the synthesis, as well as, the stirring time pos-synthesis did not alter the crystallinity and the organic amount (39 % w/w) material. The organic anions are organized in an interdigitated bilayer into the interlayer region. The aqueous suspension of the Mg2Al1Lip material shows moderate stability against the agglomeration (zeta potential value equal to + 34.3 mV) and a particle size of about 110 nm.

Mit der Entwicklung der Weltwirtschaft steigt der Energieverbrauch weiterhin stark an. Darüber hinaus reduzieren sich die nicht erneuerbaren Energiequellen, wie Öl, Erdgas und Kohle und die Umweltverschmutzung wird größer. Daher soll die Energienutzung in eine neue, erneuerbare und umweltfreundliche Richtung gehen. Die Arbeit hat zum Ziel innovative, wässrige Akkumulatoren zu entwickeln. Im Allgemeinen können wässrige Akkumulatoren gemäß der Elektrolyte in drei verschiedenen Kategorien eingeteilt werden. Es gibt feste, organische und wässrige Elektrolyte einschließlich saurer, alkalischer und neutraler. In Bezug auf metallbasierte negative Elektroden können sie auch als Lithiumbatterie, Natriumbatterie sowie Magnesiumbatterie etc. bezeichnet werden. Daher werden im ersten Kapitel einige typische Akkumulatoren, wie die Lithiumionenbatterien, Daniell-Element, Weston-Zelle, Nickel-Cadmium-Batterie und Bleibatterie vorgestellt. Im Vergleich zu organischen Elektrolyten wurden wässrige Akkumulatoren aufgrund ihrer billigen, leichten und sicheren Bauweise in den letzten Jahren umfassend untersucht. Zusätzlich dazu ist die ionische Leitfähigkeit von wässrigen Elektrolyten um zwei Größenordnungen höher als die von organischen Elektrolyten. Dies garantiert eine hohe Entladungsrate für wässrige wiederaufladbare Batterien. Somit bieten wiederaufladbare Batterien potentielle Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung. Allerdings verursachen starke Säuren oder Basen, die als Elektrolyte für sekundäre Batterien eingesetzt werden, eine starke Korrosion. Somit wären neutrale wässrige Elektrolyten (oder Elektrolytlösungen) mit einem pH-Wert in der Nähe von sieben, wie zum Beispiel schwach basisch oder sauer, die beste Wahl für wässrige Akkumulatoren. Aktive Elektrodenmaterialien der Batterien, die hochgiftige Schwermetalle wie Blei, Quecksilber und Cadmium enthalten, belasten die Umwelt. Um die Menge an Schwermetallen und Säure (oder Basen) zu verringern, sowie die spezifische Kapazität von Batterien zu erhöhen, untersucht diese Dissertation vor allem die elektrochemische Leistung der PbSO4/0,5M Li2SO4/LiMn2O4-Zelle, der Cd/0,5M Li2SO4+10mM Cd(Ac)2/LiCoO2-Zelle und von C/Cu/CNT-Gemischen als negative Materialien in 0,5 M K2CO3–Elektrolyt-Halbzellen. Die zugehörigen experimentellen Ergebnisse werden wie folgt zusammengefaßt: Im Kapitel 3 wurde eine säurefreie Bleibatterie auf Basis des LiMn2O4-Spinells als positive Elektrode, PbSO4 als negativer Elektrode und der wässrigen Lösung von 0,5 M Li2SO4 als Elektrolyt zusammengesetzt. Die spezifische Kapazität auf Basis von LiMn2O4 beträgt 128 mA•h•g-1 und die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,3 V. Die berechnete Energiedichte ist 68 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die positive Elektrode der Bleibatterie (PbO2) vollständig durch umweltfreundliches und billiges LiMn2O4 ersetzt werden kann, wodurch 50 % des Bleis eingespart werden können. Außerdem wird Schwefelsäure nicht benötigt. Kapitel 4 zeigt eine wässrige wiederaufladbare Lithiumionenbatterie, die metallisches Cadmium als negative Elektrode, LiCoO2-Nanopartikel als positive Elektrode und eine wässrige, neutrale Lösung von 0,5 M Li2SO4 und 10 mM Cd(Ac)2 als Elektrolyt enthält. Die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,2 V und die spezifische Entladungskapazität beträgt 107 mA•h•g-1 auf Basis von LiCoO2. Die berechnete Energiedichte beträgt 72 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Wie bereits oben beschrieben demonstrieren die Ergebnisse, dass 100 % von Quecksilber und der alkalischen Elektrolyt im Vergleich zur Weston-Zelle bzw. der Ni-Cd-Batterie, eingespart werden können. Kapitel 5 zeigt einen Verbundwerkstoff von Kupfer, das auf der Oberfläche von CNTs durch eine Redoxreaktion zwischen Kupferacetat und Ethylenglykol, zur Verwendung als negative Elektrode bei hohen Strömen in der Energiespeicherung, hergestellt wurde. Der so hergestellte C/Cu/CNT-Verbundwerkstoff zeigt ein besseres Geschwindigkeitsverhalten und eine höhere Kapazität ebenso wie eine exzellente Zyklusstabilität in wässrigen 0,5 M K2CO3-Lösungen im Vergleich zu einfachem Kupfer. Die Kohlenstoffbeschichtung kann die Auflösung von Kupfercarbonatkomplexen verhindern, die Elektrodenleitfähigkeit erhöhen und die Oberflächenchemie des aktiven Materials verbessern. / With the economic development of the world, energy consumption continues to rise sharply. Moreover, non-renewable energy sources including fossil oil, natural gas and coal are declining gradually and environmental pollution is becoming more severe. Hence, energy usage should go into a new direction of development that is renewable and environmental-friendly. This thesis aims to explore innovative aqueous rechargeable batteries. Generally, rechargeable batteries could be classified into three categories according to the different electrolytes. There are solid electrolytes, organic electrolytes and aqueous electrolytes including acidic, alkaline and neutral. In terms of metal-based negative electrodes, they also could be named lithium battery, sodium battery as well as magnesium battery etc. Therefore, some typical rechargeable batteries are introduced in Chapter 1, such as lithium ion batteries, Daniell-type cell, Weston cell, Ni-Cd battery and lead-acid battery. Compared to organic electrolytes, aqueous rechargeable batteries have been investigated broadly in recent years because they are inexpensive, easy to construct and safe. Additionally, the ionic conductivity of aqueous electrolytes is higher than that of organic electrolytes by about two orders of magnitude. Furthermore, it ensures high rate capability for aqueous rechargeable battery. Consequently, aqueous rechargeable batteries present potential applications in energy storage and conversion. However, strong acid or alkaline, which is used as the electrolyte for secondary batteries, will cause serious corrosion. Thus, neutral aqueous electrolyte (or pH value of electrolyte solution close to 7 such as weak alkaline and acid) would be the best choice for aqueous rechargeable battery. In addition, the electrode active materials of batteries containing highly toxic heavy metals such as Pb, Hg and Cd, pollute the environment. As a result, in order to reduce the amount of heavy metals and acid (or alkaline) as well as increase the specific capacity of batteries, this dissertation mainly studies the electrochemical performance of PbSO4/0.5M Li2SO4/LiMn2O4 full battery, Cd/0.5M Li2SO4+10 mM Cd(Ac)2/LiCoO2 full battery and C/Cu/CNT composites as negative material in 0.5 M K2CO3 electrolyte as half cell. The related experimental results are as follows: In Chapter 3, an acid-free lead battery was assembled based on spinel LiMn2O4 as the positive electrode, PbSO4 as the negative electrode, and 0.5 M Li2SO4 aqueous solution as the electrolyte. Its specific capacity based on the LiMn2O4 is 128 mA•h•g-1 and the average discharge voltage is 1.3 V. The calculated energy density is 68 W•h•kg-1 based on the practical capacities of the two electrodes. These results show that the positive electrode of the lead acid battery (PbO2) can be totally replaced by the environmentally friendly and cheap LiMn2O4, which implies that 50 % of Pb can be saved. In addition, H2SO4 is not needed. Chapter 4 shows an aqueous rechargeable lithium ion battery using metallic Cd as the negative electrode, LiCoO2 nanoparticles as the positive electrode, and an aqueous neutral solution of 0.5 M Li2SO4 and 10 mM Cd(Ac)2 as the electrolyte. Its average discharge voltage is 1.2 V and the specific discharge capacity is 107 mA•h•g-1 based on the LiCoO2 . In addition, the calculated energy density based on the capacities of the electrodes is 72 W•h•kg-1. As described above, the results demonstrate that 100 % of Hg and alkaline electrolyte can be saved compared with the Weston cell and the Ni-Cd battery, respectively. The work reported in Chapter 5 deals with a composite of copper grown on the surface of CNTs as prepared by a redox reaction between copper acetate and ethylene glycol for use as negative electrode at high currents in energy storage. The as-prepared C/Cu/CNTs composite exhibits better rate behavior and higher capacity as well as excellent cycling stability in aqueous 0.5 M K2CO3 solution compared to the unsupported copper. The carbon coating can effectively prevent the dissolution of copper carbonate complexes, increase the electrode conductivity, improve the surface chemistry of the active material and protect the electrode from direct contact with electrolyte solution.

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Pour améliorer les performances des batteries au lithium, des ruptures technologiques sont nécessaires. Ceci impose que les aspects fondamentaux liés au fonctionnement de ces dispositifs électroniques soient reconsidérés. Dans cette optique, les méthodes de la chimie quantique peuvent apporter une aide précieuse, notamment pour comprendre les phénomènes électroniques microscopiques, à l'origine du stockage de l'énergie. Établir une relation directe entre la nature de la liaison chimique (microscopique) et les propriétés physico-chimiques (macroscopiques) des matériaux d'électrode pour batteries Li-Ion est donc l'objectif dans lequel s'inscrivent les travaux exposés dans cette thèse. Ce travail explore à la fois des aspects méthodologiques et des applications. Il vise à proposer des méthodologies d'analyse simples permettant de traiter les réactions électrochimiques d'un point de vue théorique et de déterminer les mécanismes microscopiques mis en jeu au cours des cycles de charge et de décharge des batteries. Les systèmes étudiés sont les composés d'insertion du graphite (Li-GICs) et un matériau hybride de type MOFs (« Metal Organic Framework ») basé sur l'ion ferrique (MIL-53(Fe)). Pour les Li-GICs, une nouvelle méthode couplant des calculs premiers principes DFT à un modèle statistique dérivé du modèle de Bethe-Peierls a été développée pour rendre compte des effets d'entropie (de configuration) dans leur diagramme de phase. Les résultats obtenus apportent un nouveau regard sur les processus électrochimiques induits par le lithium, ouvrant des perspectives technologiques intéressantes pour remédier aux problèmes de sécurité posés par ce type d'électrode. Pour le MIL-53(Fe), la méthode DFT+U a été utilisée pour rendre compte des effets de corrélation électronique et pour reproduire l'état fondamental complexe de ce système. Les résultats obtenus ont permis de comprendre l'origine de la faible capacité de ce matériau vis-`a-vis du lithium.

This thesis deals with lithiation of negative electrode li-ion batteries. In this thesis is used several electrode materials: carbon, FeCl3, lithiated carbon electrodes and silicon carbide. Reduction of irreversible capacity lithium-ion batteries leads to increased capacity and also we can use new materials as a positive electrode. Thesis deals with the differences in the properties of materials using lithiation and their use in practice

Mit der Entwicklung der Weltwirtschaft steigt der Energieverbrauch weiterhin stark an. Darüber hinaus reduzieren sich die nicht erneuerbaren Energiequellen, wie Öl, Erdgas und Kohle und die Umweltverschmutzung wird größer. Daher soll die Energienutzung in eine neue, erneuerbare und umweltfreundliche Richtung gehen. Die Arbeit hat zum Ziel innovative, wässrige Akkumulatoren zu entwickeln. Im Allgemeinen können wässrige Akkumulatoren gemäß der Elektrolyte in drei verschiedenen Kategorien eingeteilt werden. Es gibt feste, organische und wässrige Elektrolyte einschließlich saurer, alkalischer und neutraler. In Bezug auf metallbasierte negative Elektroden können sie auch als Lithiumbatterie, Natriumbatterie sowie Magnesiumbatterie etc. bezeichnet werden. Daher werden im ersten Kapitel einige typische Akkumulatoren, wie die Lithiumionenbatterien, Daniell-Element, Weston-Zelle, Nickel-Cadmium-Batterie und Bleibatterie vorgestellt. Im Vergleich zu organischen Elektrolyten wurden wässrige Akkumulatoren aufgrund ihrer billigen, leichten und sicheren Bauweise in den letzten Jahren umfassend untersucht. Zusätzlich dazu ist die ionische Leitfähigkeit von wässrigen Elektrolyten um zwei Größenordnungen höher als die von organischen Elektrolyten. Dies garantiert eine hohe Entladungsrate für wässrige wiederaufladbare Batterien. Somit bieten wiederaufladbare Batterien potentielle Anwendungen in der Energiespeicherung und -umwandlung. Allerdings verursachen starke Säuren oder Basen, die als Elektrolyte für sekundäre Batterien eingesetzt werden, eine starke Korrosion. Somit wären neutrale wässrige Elektrolyten (oder Elektrolytlösungen) mit einem pH-Wert in der Nähe von sieben, wie zum Beispiel schwach basisch oder sauer, die beste Wahl für wässrige Akkumulatoren. Aktive Elektrodenmaterialien der Batterien, die hochgiftige Schwermetalle wie Blei, Quecksilber und Cadmium enthalten, belasten die Umwelt. Um die Menge an Schwermetallen und Säure (oder Basen) zu verringern, sowie die spezifische Kapazität von Batterien zu erhöhen, untersucht diese Dissertation vor allem die elektrochemische Leistung der PbSO4/0,5M Li2SO4/LiMn2O4-Zelle, der Cd/0,5M Li2SO4+10mM Cd(Ac)2/LiCoO2-Zelle und von C/Cu/CNT-Gemischen als negative Materialien in 0,5 M K2CO3–Elektrolyt-Halbzellen. Die zugehörigen experimentellen Ergebnisse werden wie folgt zusammengefaßt: Im Kapitel 3 wurde eine säurefreie Bleibatterie auf Basis des LiMn2O4-Spinells als positive Elektrode, PbSO4 als negativer Elektrode und der wässrigen Lösung von 0,5 M Li2SO4 als Elektrolyt zusammengesetzt. Die spezifische Kapazität auf Basis von LiMn2O4 beträgt 128 mA•h•g-1 und die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,3 V. Die berechnete Energiedichte ist 68 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die positive Elektrode der Bleibatterie (PbO2) vollständig durch umweltfreundliches und billiges LiMn2O4 ersetzt werden kann, wodurch 50 % des Bleis eingespart werden können. Außerdem wird Schwefelsäure nicht benötigt. Kapitel 4 zeigt eine wässrige wiederaufladbare Lithiumionenbatterie, die metallisches Cadmium als negative Elektrode, LiCoO2-Nanopartikel als positive Elektrode und eine wässrige, neutrale Lösung von 0,5 M Li2SO4 und 10 mM Cd(Ac)2 als Elektrolyt enthält. Die durchschnittliche Entladungsspannung beträgt 1,2 V und die spezifische Entladungskapazität beträgt 107 mA•h•g-1 auf Basis von LiCoO2. Die berechnete Energiedichte beträgt 72 W•h•kg-1, bezogen auf die praktischen Kapazitäten der beiden Elektroden. Wie bereits oben beschrieben demonstrieren die Ergebnisse, dass 100 % von Quecksilber und der alkalischen Elektrolyt im Vergleich zur Weston-Zelle bzw. der Ni-Cd-Batterie, eingespart werden können. Kapitel 5 zeigt einen Verbundwerkstoff von Kupfer, das auf der Oberfläche von CNTs durch eine Redoxreaktion zwischen Kupferacetat und Ethylenglykol, zur Verwendung als negative Elektrode bei hohen Strömen in der Energiespeicherung, hergestellt wurde. Der so hergestellte C/Cu/CNT-Verbundwerkstoff zeigt ein besseres Geschwindigkeitsverhalten und eine höhere Kapazität ebenso wie eine exzellente Zyklusstabilität in wässrigen 0,5 M K2CO3-Lösungen im Vergleich zu einfachem Kupfer. Die Kohlenstoffbeschichtung kann die Auflösung von Kupfercarbonatkomplexen verhindern, die Elektrodenleitfähigkeit erhöhen und die Oberflächenchemie des aktiven Materials verbessern. / With the economic development of the world, energy consumption continues to rise sharply. Moreover, non-renewable energy sources including fossil oil, natural gas and coal are declining gradually and environmental pollution is becoming more severe. Hence, energy usage should go into a new direction of development that is renewable and environmental-friendly. This thesis aims to explore innovative aqueous rechargeable batteries. Generally, rechargeable batteries could be classified into three categories according to the different electrolytes. There are solid electrolytes, organic electrolytes and aqueous electrolytes including acidic, alkaline and neutral. In terms of metal-based negative electrodes, they also could be named lithium battery, sodium battery as well as magnesium battery etc. Therefore, some typical rechargeable batteries are introduced in Chapter 1, such as lithium ion batteries, Daniell-type cell, Weston cell, Ni-Cd battery and lead-acid battery. Compared to organic electrolytes, aqueous rechargeable batteries have been investigated broadly in recent years because they are inexpensive, easy to construct and safe. Additionally, the ionic conductivity of aqueous electrolytes is higher than that of organic electrolytes by about two orders of magnitude. Furthermore, it ensures high rate capability for aqueous rechargeable battery. Consequently, aqueous rechargeable batteries present potential applications in energy storage and conversion. However, strong acid or alkaline, which is used as the electrolyte for secondary batteries, will cause serious corrosion. Thus, neutral aqueous electrolyte (or pH value of electrolyte solution close to 7 such as weak alkaline and acid) would be the best choice for aqueous rechargeable battery. In addition, the electrode active materials of batteries containing highly toxic heavy metals such as Pb, Hg and Cd, pollute the environment. As a result, in order to reduce the amount of heavy metals and acid (or alkaline) as well as increase the specific capacity of batteries, this dissertation mainly studies the electrochemical performance of PbSO4/0.5M Li2SO4/LiMn2O4 full battery, Cd/0.5M Li2SO4+10 mM Cd(Ac)2/LiCoO2 full battery and C/Cu/CNT composites as negative material in 0.5 M K2CO3 electrolyte as half cell. The related experimental results are as follows: In Chapter 3, an acid-free lead battery was assembled based on spinel LiMn2O4 as the positive electrode, PbSO4 as the negative electrode, and 0.5 M Li2SO4 aqueous solution as the electrolyte. Its specific capacity based on the LiMn2O4 is 128 mA•h•g-1 and the average discharge voltage is 1.3 V. The calculated energy density is 68 W•h•kg-1 based on the practical capacities of the two electrodes. These results show that the positive electrode of the lead acid battery (PbO2) can be totally replaced by the environmentally friendly and cheap LiMn2O4, which implies that 50 % of Pb can be saved. In addition, H2SO4 is not needed. Chapter 4 shows an aqueous rechargeable lithium ion battery using metallic Cd as the negative electrode, LiCoO2 nanoparticles as the positive electrode, and an aqueous neutral solution of 0.5 M Li2SO4 and 10 mM Cd(Ac)2 as the electrolyte. Its average discharge voltage is 1.2 V and the specific discharge capacity is 107 mA•h•g-1 based on the LiCoO2 . In addition, the calculated energy density based on the capacities of the electrodes is 72 W•h•kg-1. As described above, the results demonstrate that 100 % of Hg and alkaline electrolyte can be saved compared with the Weston cell and the Ni-Cd battery, respectively. The work reported in Chapter 5 deals with a composite of copper grown on the surface of CNTs as prepared by a redox reaction between copper acetate and ethylene glycol for use as negative electrode at high currents in energy storage. The as-prepared C/Cu/CNTs composite exhibits better rate behavior and higher capacity as well as excellent cycling stability in aqueous 0.5 M K2CO3 solution compared to the unsupported copper. The carbon coating can effectively prevent the dissolution of copper carbonate complexes, increase the electrode conductivity, improve the surface chemistry of the active material and protect the electrode from direct contact with electrolyte solution.